軌道交通預制U形梁力學性能研究

劉孟龍,宋郁民,吳定俊

(1.上海工程技術大學,上海 201620； 2.同濟大學,上海 200092)

城市軌道交通廣泛使用的U形梁是由早期的槽形梁優化發展而來，在國內城市軌道交通領域，U形梁正處于研究推廣階段。目前我國廣泛采用的是單線U形梁，以整體預制吊裝施工為主，預制方法有先張法和后張法。國內已成功應用的單線U形梁中，廣州地鐵4號線、南京地鐵2號線東延線、重慶軌道交通1號線大沙段采用的是后張法預制工藝，上海地鐵16號線則采用了先張法預制工藝[1-5]。盡管已有工程應用，但對于先張法與后張法預制U形梁在力學性能上的差異的比較研究仍然較少。結合青島藍色硅谷城際軌道交通工程高架區間項目，運用有限元法對先張法與后張法預制U形梁的力學性能進行了理論對比分析，隨后對預應力U形梁進行了靜載試驗，詳細分析了試驗荷載下U形梁的剛度和抗裂性等指標[6-9]。

1 工程背景

青島藍色硅谷軌道交通工程全長58.44 km，其中高架橋段長約47 km，占線路總長的80%[10]。高架橋采用整孔預應力混凝土簡支U形梁，標準跨度為30 m，梁型為5.0 m線間距直線梁。U形梁為開口薄壁結構，腹板為弧形設計，支座中心距梁端0.6 m，梁端1.2 m為加厚區，梁高逐漸由1.8 m增加至1.94 m，漸變段長度0.42 m。內外腹板厚度分別為0.26、0.265 m，底板厚0.26 m，梁端加厚區底板厚0.4 m。U形梁上寬5.32 m，下寬3.98 m，底板加厚區寬4.58 m，外腹板頂寬1.0 m，內腹板寬0.72 m，線路中心線偏向內腹板側，與底板中心線偏心0.065 m。U形梁跨中截面尺寸見圖1。

先張法有94根預應力鋼筋。為防止梁端混凝土上緣出現過大拉應力，將部分鋼絞線端頭設置套管。27根N1鋼筋通長無套管；20根N2預應力鋼筋，在端

圖1 U形梁跨中截面(單位：mm)

頭設置2.4 m套管；37根N3預應力鋼筋，在端頭設置5 m套管。預應力鋼絞線標準強度為1 860 MPa，錨下張拉控制應力為1 362 MPa。鋼束端部設立φ8 mm的螺旋筋。預應力配筋見圖2。

后張法中預應力鋼束共10束，在梁中預埋金屬波紋管，每根鋼束包含10根1 860 MPa鋼絞線，為防止梁端混凝土上緣出現過大拉應力，最外側2束N1腹板鋼束在腹板內向上彎起，錨固在梁端上翼板，其余鋼束均配置在底板，并在梁端下彎55 mm以方便錨固。預應力配筋如圖3所示。

圖2 先張法預應力配筋(單位：mm)

圖3 后張法預應力配筋(單位：mm)

2 力學性能有限元分析

采用通用有限元軟件Midas Civil分別建立先張法U形梁和后張法U形梁的有限元模型，梁單元為空間梁單元，全橋模型如圖4和圖5所示。

圖4 先張法預制U形梁有限元模型

圖5 后張法預制U形梁有限元模型

2.1 有限元分析結果

通過有限元分析，得到先張法預制U形梁的軸力圖、彎矩圖分別如圖6、圖7所示，后張法預制U形梁的軸力圖、彎矩圖如圖8、圖9所示。

圖6 先張法預制U形梁軸力圖(單位：kN)

圖7 先張法預制U形梁彎矩圖(單位：kN·m)

圖8 后張法預制U形梁軸力圖(單位：kN)

圖9 后張法預制U形梁彎矩圖(單位：kN·m)

2.2 力學性能分析比較

表1和表2對先張法與后張法預應力U形梁的內力、應力狀態及變形進行了比較。

由表1可知，先張法預應力U形梁的軸力明顯小于后張法預應力U形梁；先張法預應力筋并不改變原有結構的剪力，先張法預應力U形梁的剪力大小與無預應力U形梁一致；后張法預應力筋由于存在一根彎起鋼筋，相當于存在一根豎向預應力筋，因而后張法預應力U形梁的剪力較無預應力U形梁減小很多[11]。

表1 內力狀況分析

注：軸力以拉為“+”，壓為“-”；剪力以順時針轉動為“+”，逆時針轉動為“-”；彎矩以順時針為“+”，逆時針為“-”。

表2 應力狀態和變形

注：拉應力為“+”，壓應力為“-”。

由表2可知，先張法預應力U形梁的正應力整體上比后張法預應力U形梁要小，尤其是其最大值，差別非常明顯；無論是先張法還是后張法，預應力U形梁的變形都遠小于無預應力U形梁，梁的剛度有很大改善。

3 荷載試驗比較分析

3.1試驗方法

靜載試驗荷載采用反力架加載，底板加載點P1設置縱向分配梁和橫向分配梁，腹板加載點P2設置縱向分配梁，如圖10所示。

圖10 U形梁加載點橫向布置示意(單位：mm)

靜載試驗測試的主要內容為：(1)1.0倍設計荷載加載，測試U形梁控制截面的應變和撓度；(2)1.2倍設計荷載加載，測試U形梁控制截面的應變和撓度。

試驗的測試截面選取跨中截面，其撓度測點和應變測點布置分別如圖11、圖12所示。

圖11 跨中撓度測點布置

圖12 跨中截面的縱、橫向應變測點布置(單位：cm)

試驗加載遵循跨中彎矩與設計荷載下最大彎矩相等、支點剪力與設計荷載下最大剪力近似相等的原則，采用分級加載的方式進行加載(定義系數K為分級加載系數，即試驗加載下梁體跨中彎矩值與設計荷載下梁體跨中最大彎矩值的比值)。

加載分為兩個階段：

(1)K≤1.0時，通過底板千斤頂進行加載；

(2)1.0≤K≤1.2時，通過腹板千斤頂進行加載。

為消除試驗過程中不確定因素的影響，確保試驗結果準確性和可靠性，試驗進行兩個循環測試：

(1)從零荷載逐級加載到“1.0倍二恒+1.0倍活載”，按照試驗規程完成逐級測試后，再逐級卸載到零荷載狀態；

(2)從零荷載逐級加載到“1.2倍設計荷載”，按照試驗規程完成逐級測試后，再逐級卸載到零荷載狀態。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 剛度分析

U形梁跨中截面在1.0倍設計活載作用下撓度實測值和撓跨比分析結果如表3所示。

表3 各試驗梁跨中截面實測最大撓度值與撓跨比分析

由表3可知，1.0倍活載作用下的實測撓度最大值為11.9 mm，由表4可知，1.0倍活載作用下跨中截面混凝土縱、橫向應力增量的最大值為8.33 MPa，滿足《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲實驗方法及評定標準》[12](TB/T2092—2003)的要求；梁體最大撓跨比為1/2 208，滿足《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)[13]的撓跨比不超過1/2 000的限值要求。

表4 荷載作用下跨中截面混凝土縱、橫向應力增量 MPa

注：壓力為“-”，拉力為“+”。

3.2.2 抗裂性分析

靜載試驗的兩次循環中，在K=1.0倍活載加載下，持續20 min，均未發現梁底因橫向彎曲而出現的縱向裂縫。

先張法預應力U形梁在K=1.20設計荷載下持荷20 min后，在底板下緣、倒角及圓弧過渡段，均未發現因道床板橫向彎曲而形成的縱向裂縫。只在跨中位置附近發現2條縱向裂縫，經測量裂縫寬度在0.01～0.02 mm范圍內，滿足《鐵路橋涵設計規范》(TB10002—2017)的鋼筋混凝土結構抗裂性要求[14]，表明道床板的橫向彎曲抗裂性合格。卸載后，繼續觀察裂縫，多數極微小裂縫閉合，較寬裂縫寬度減小，滿足鋼筋混凝土結構抗裂性要求。

后張法預制U形梁在K=1.2設計荷載加載下，持荷20 min，觀察發現跨中、1/4跨的底板下緣區域，出現25條長短不等的縱向裂縫。經測量，裂縫寬度在0.01～0.05 mm范圍內，長度在10～60 cm，裂縫的最大寬度達0.08 mm。

由于后張法預應力管道的存在導致截面削弱，波紋管下混凝土厚度較小，再扣除非預應力筋所占的空間，粗集料很難進入該區域，施工時無法進行有效的振搗，導致很小的橫向拉應力就可能產生裂縫，使得后張法縱向裂縫產生多于先張梁。

4 結論

通過有限元理論分析和現場靜載試驗，對先張法、后張法預應力U形梁的力學性能進行了詳細分析和評價，主要得出以下結論。

(1)有限元模型計算結果表明，先張法U形梁和后張法U形梁的內力狀況基本接近，先張法U形梁的應力相對較小。

(2)試驗荷載作用下，先張法U形梁較后張法U形梁撓度要小，抗裂性能突出，滿足相關規范[15-16]要求。

(3)先張法U形梁耐久性好，力學性能明顯優于后張法U形梁，具有推廣使用的潛力。

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